【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、沸騰水型原子炉に備えられる燃料集合体に係わり、特に、ウラン・プルトニウム混合酸化物燃料を備えたＭＯＸ燃料集合体に関する。

【０００２】

【従来の技術】原子力発電所の核燃料リサイクルとして、再処理によって取り出されたプルトニウムをウランと混合させたウラン・プルトニウム混合酸化物燃料（以下適宜、ＭＯＸ燃料という）の利用が提唱されている。
燃料サイクル費の低減を図るためには、プルトニウムの消費を高めるすなわちプルトニウムの使用率を高めることが好ましい。

【０００３】一方、近年、同様に燃料サイクル費の低減を図る観点から、ウラン燃料の高燃焼度化と並行する形で、ＭＯＸ燃料の高燃焼度化が図られる傾向にある。 このようなＭＯＸ燃料の高燃焼度化の傾向が、（１）短尺燃料棒の採用、（２）ウォータロッドの太径化、（３）
ガドリニア入り燃料棒本数の増加、をもたらすようになっている。 これらについて、以下順番に詳細を説明する。

【０００４】（１）短尺燃料棒の採用 一般に、燃料の高燃焼度化を図るためには、燃料の保有する反応度を高める必要がある。 したがって、ウラン燃料の高燃焼度化を図るためには、ウラン濃縮度のを増加させる必要があり、ＭＯＸ燃料の高燃焼度化を図るためには、ＭＯＸ燃料のプルトニウム富化度（以下適宜、単に富化度と呼ぶ）を増加させる必要がある。

【０００５】ここで、一般に燃料集合体にＭＯＸ燃料を充填すると、核分裂性物質であるプルトニウム２３９やプルトニウム２４１の熱中性子吸収断面積がウラン２３
５より大きいこと、プルトニウム２４０による中性子吸収がウラン２３８より大きいこと等により、ウラン燃料集合体よりも中性子スペクトルが硬くなる傾向がある。
これに加えて、前述したようにＭＯＸ燃料の富化度を増加させると、これによっても中性子スペクトルの硬化が増す傾向が生じる。

【０００６】これに対する対策の１つとして、例えば８
行８列の燃料棒配列（以下適宜、８×８配列という）の燃料集合体を９行９列の燃料棒配列（以下、９×９配列という）等の燃料集合体に変更することで、中性子スペクトルを軟らかくすることが考えられている。

【０００７】但しこのとき、９×９配列の燃料集合体に変更する際、単に燃料棒本数を増加させただけでは、本数増加による表面積の増大が気泡の抵抗を増やし、炉心の圧力損失が増加して熱水力安定性が悪化する等の課題が生じるので、燃料棒の一部に、軸方向長さが短い短尺燃料棒を使用し、圧力損失の増加を押さえるようにしている。

【０００８】（２）ウォータロッドの太径化 上記（１）で述べたような、ＭＯＸ燃料における中性子スペクトル硬化に対するもう１つの対策として、ウォータロッドを太径化することで水（すなわち中性子の減速材）領域を増加し、中性子スペクトルを軟らかくすることが考えられている。

【０００９】なお、以上（２）の方策を講じてウラン燃料の高燃焼度化を図った公知技術例として、例えば、特開昭６２−２１７１８６号公報に記載のものがある。

【００１０】（３）ガドリニア入り燃料棒本数の増加 上記（１）で前述したように、ＭＯＸ燃料の高燃焼度化を図る際には燃料の反応度が高められていることから、
余剰反応度を適切に制御するためには、燃料集合体に使用される可燃性中性子毒物のガドリニア入り燃料棒の本数を増加させる必要がある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記（１）〜（３）に関しては、いずれも、最終的にプルトニウムの使用率を低下させるという新たな課題が生じる。 すなわち、（１）短尺燃料棒の採用が行われるようになれば、その分ＭＯＸ燃料が少なくなるので、プルトニウムの使用率を低下させることになる。 また、（２）
ウォータロッドの太径化が行われるようになれば、ウォータロッドにより押しのけられる横断面積が増えるので、その分ＭＯＸ燃料棒の燃料集合体に占める割合が減少して、プルトニウムの使用率を低下させることになる。 また、一般に、プルトニウムは強い中性子吸収体であることから、ガドリニア入り燃料棒にはウランが用いられるので、（３）ガドリニア入り燃料棒本数の増加が行われるようになれば、その分ＭＯＸ燃料棒の燃料集合体に占める割合が減少し、プルトニウムの使用率を低下させることになる。

【００１２】このようなプルトニウムの使用率の低下を防止するためには、上記（１）〜（３）の方策のうちいずれか１つの方策を、プルトニウム使用率が低下しないように改良すればよい。

【００１３】本発明の目的は、ガドリニア入り燃料棒における全体の負の反応度価値を低下させることなくその本数を低減し、その低減分をＭＯＸ燃料棒に置き換えることにより、プルトニウムの使用率を向上できるＭＯＸ
燃料集合体を提供することである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明によれば、複数行複数列の格子状に配列され核分裂性物質が充填された複数本の燃料棒と、これら格子状に配列された燃料棒のうち中央部領域近傍の複数本の燃料棒を置き換える形で配列された少なくとも１本のウォータロッドとを有し、前記複数本の燃料棒は、前記核分裂性物質としてウラン・プルトニウム混合酸化物燃料が充填された複数本の第１の燃料棒、前記核分裂性物質としてウラン・プルトニウム混合酸化物燃料が充填され軸方向長さが前記第１の燃料棒よりも短い複数本の第２の燃料棒、及び前記核分裂性物質としてウラン燃料が充填され可燃性毒物を含有する第３の燃料棒のうち、少なくとも第１及び第３の燃料棒を含み、軽水炉炉心に装荷されるＭＯＸ燃料集合体において、前記第３の燃料棒のすべては、前記第２の燃料棒の配列位置及び前記ウォータロッドに置き換えられた複数本の燃料棒の配列位置のうち少なくとも一方の配列位置に対して、同行隣接列及び同列隣接行のうちいずれか一方の関係となる位置に配列されていることを特徴とするＭＯＸ燃料集合体が提供される。

【００１５】軽水炉においては、水は冷却材としてだけではなく、中性子の減速材としても重要な役割を担っており、炉心内部の水とプルトニウム及びウランの体積比（＝減速材対燃料比）が、核特性に影響を与える重要な要素となっている。 すなわち、減速材対燃料比は、高速中性子エネルギー及び共鳴中性子エネルギー領域での中性子吸収率に影響を与える。

【００１６】つまり、一般に、低濃縮ウランを用いる熱中性子炉では、熱外中性子の吸収反応の大半は、例えばＰｕ２４０、Ｕ２３８のような親物質への捕獲反応であり、核分裂によるエネルギー発生と中性子の増倍には寄与しない。 しかしながら、減速材対燃料比が増加すると、核分裂中性子（平均約２ＭｅＶのエネルギーを有する）が熱中性子まで減速される割合が増加する。

【００１７】したがって、熱中性子炉では、減速材対燃料比を増加させて中性子スペクトルを軟らかくすることにより、熱中性子を増加させ、Ｐｕ２３９、Ｐｕ２４
１、Ｕ２３５への中性子吸収を増加させることができる。 そしてこれにより核分裂に寄与する中性子が増えるので、中性子束及び無限増倍率を大きくすることができる。 そしてこのようにして中性子束を大きくすることによって、強い熱中性子吸収体である可燃性毒物の負の反応度価値、すなわち、反応度に対して負の方向に働く効果もまた高めることができることになる。

【００１８】燃料集合体においては、減速材対燃料比が高くなる位置として、例えば、燃料チャンネルボックスの外側の水ギャップ、ウォータロッド、及び短尺燃料棒上部の水領域等が考えられる。

【００１９】本発明においては、可燃性毒物を含有する第３の燃料棒を、複数本の燃料棒を置き換えたウォータロッド位置又は短尺である第２の燃料棒の配列位置に対して同行隣接列又は同列隣接行、すなわち非常に近接した位置に配列する。 ここで、ウォータロッドは全領域が水であるのでこれに近いほど減速材対燃料比が高く、また第２の燃料棒については、短尺の燃料棒上方は水領域であるので同様にこれに近いほど減速材対燃料比が高い。

【００２０】したがって、第３の燃料棒の配列位置は中性子スペクトルが軟らかく、中性子束分布が高くなるので、結果として、第３の燃料棒に含有される可燃性毒物の負の反応度価値が高められる。 よってその分、可燃性毒物入りの第３の燃料棒の本数を従来より低減しても、
従来と同等の反応度抑制効果を得ることができる。 好ましくは、前記ＭＯＸ燃料集合体において、前記格子状配列は９行９列であり、前記ウォータロッドは、中央部領域近傍の７本の燃料棒を置き換える形で前記９行９列配列の対角線方向に隣接して２本配列されており、前記第３の燃料棒は、前記７本の燃料棒位置に対して同行隣接列及び同列隣接行のうちいずれか一方の関係となる位置に、計６本配列されていることを特徴とするＭＯＸ燃料集合体が提供される。

【００２１】さらに好ましくは、前記ＭＯＸ燃料集合体において、前記６本の第３の燃料棒は、前記９行９列配列の対角線方向に互いに隣接する３本の燃料棒の組が、
前記２本のウォータロッドを挟んで２組配列されていることを特徴とするＭＯＸ燃料集合体が提供される。

【００２２】また好ましくは、前記ＭＯＸ燃料集合体において、前記格子状配列は９行９列であり、前記ウォータロッドは、中央部領域近傍の７本の燃料棒を置き換える形で前記９行９列配列の対角線方向に隣接して２本配列されており、前記第２の燃料棒は、前記９行９列配列の最外周配列のすぐ内側の正方形状配列における、四隅位置及び各辺中点位置に計８本配列されており、前記第３の燃料棒は、前記ウォータロッドに置き換えられた７
本の燃料棒位置及び前記８本の第２の燃料棒位置に対して、同行隣接列及び同列隣接行のうちいずれか一方の関係となる位置に、計１４本配列されていることを特徴とするＭＯＸ燃料集合体が提供される。

【００２３】さらに好ましくは、前記ＭＯＸ燃料集合体において、前記８本の第２の燃料棒のうち、前記９行９
列配列の最外周配列のすぐ内側の正方形状配列における四隅位置に配置された４本を、同径のウォータロッドに置き換えたことを特徴とするＭＯＸ燃料集合体が提供される。 すなわちこれにより、減速材対燃料比を増加させボイド反応度係数絶対値を低減し過渡変化を緩和した配列構成に適用した場合も、可燃性毒物入り燃料棒の本数を従来より低減することができる。

【００２４】また好ましくは、前記ＭＯＸ燃料集合体において、前記複数本の第１及び第２の燃料棒のそれぞれは、軸方向に一様なプルトニウム富化度分布を有し、かつ、その平均プルトニウム富化度の値が、該複数本の第１及び第２の燃料棒全体で４種類以下となるように構成されていることを特徴とするＭＯＸ燃料集合体が提供される。

【００２５】また好ましくは、前記ＭＯＸ燃料集合体において、前記複数本の第１及び第２の燃料棒のそれぞれは、平均プルトニウム富化度の値が、該複数本の第１及び第２の燃料棒全体で複数種類となるように構成されており、かつ、各第２の燃料棒の平均プルトニウム富化度は、前記複数種類の平均プルトニウム富化度のうち、大きい方から２番目の値となっていることを特徴とするＭ
ＯＸ燃料集合体が提供される。

【００２６】また好ましくは、前記ＭＯＸ燃料集合体において、前記第３の燃料棒は、燃料有効長をＨとしたとき、有効長最下端からの距離が０〜（１／２４）Ｈ及び（２３／２４）Ｈ〜Ｈの範囲に、天然ウランからなる燃料ペレットが充填された領域を備えていることを特徴とするＭＯＸ燃料集合体が提供される。

【００２７】また好ましくは、前記ＭＯＸ燃料集合体において、前記複数の第３の燃料棒のそれぞれに添加される可燃性毒物の濃度は、該複数の第３の燃料棒全体で複数種類になっていることを特徴とするＭＯＸ燃料集合体が提供される。

【００２８】また上記目的を達成するために、本発明によれば、９行９列の格子状に配列され核分裂性物質が充填された複数本の燃料棒と、これら格子状に配列された燃料棒のうち中央部領域近傍の７本の燃料棒を置き換える形で前記９行９列配列の対角線方向に隣接して配列された２本のウォータロッドとを有し、前記複数本の燃料棒は、前記核分裂性物質としてウラン・プルトニウム混合酸化物燃料が充填された複数本の第１の燃料棒、前記核分裂性物質としてウラン・プルトニウム混合酸化物燃料が充填され軸方向長さが前記第１の燃料棒よりも短い複数本の第２の燃料棒、及び前記核分裂性物質としてウラン燃料が充填され可燃性毒物を含有する第３の燃料棒を含み、軽水炉炉心に装荷されるＭＯＸ燃料集合体において、前記第３の燃料棒は、前記７本の燃料棒位置に対して同行隣接列及び同列隣接行のうちいずれか一方の関係となる位置に配列されている６本と、前記９行９列配列の最外周配列のすぐ内側の正方形状配列における、四隅位置及びこれに対して同行隣接列及び同列隣接行のうちいずれか一方の関係となる位置に配列されている１２
本との、あわせて１８本が配置されていることを特徴とするＭＯＸ燃料集合体が提供される。 これにより、すなわち、ウラン量を増加させ原子炉運転期間の延長に対応可能とした配列構成に適用した場合も、可燃性毒物入りの第３の燃料棒の本数を従来より低減することができる。

【００２９】また上記目的を達成するために、本発明によれば、９行９列の格子状に配列され核分裂性物質が充填された複数本の燃料棒と、これら格子状に配列された燃料棒のうち中央部領域近傍の７本の燃料棒を置き換える形で前記９行９列配列の対角線方向に隣接して配列された２本のウォータロッドとを有し、前記複数本の燃料棒は、前記核分裂性物質としてウラン・プルトニウム混合酸化物燃料が充填された複数本の第１の燃料棒、前記核分裂性物質としてウラン・プルトニウム混合酸化物燃料が充填され軸方向長さが前記第１の燃料棒よりも短い複数本の第２の燃料棒、及び前記核分裂性物質としてウラン燃料が充填され可燃性毒物を含有する第３の燃料棒を含み、軽水炉炉心に装荷されるＭＯＸ燃料集合体において、前記第３の燃料棒は、前記７本の燃料棒位置に対して同行隣接列及び同列隣接行のうちいずれか一方の関係となる位置に配列されている６本と、前記９行９列配列の最外周配列のすぐ内側の正方形状配列における四隅位置に配列されている４本と、前記第２の燃料棒の配列位置に対して同行隣接列及び同列隣接行のうちいずれか一方の関係となる位置に配列されている８本の、あわせて１８本が配置されていることを特徴とするＭＯＸ燃料集合体が提供される。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。 本発明の第１の実施形態を図１及び図２により説明する。 本実施形態によるＭＯＸ燃料集合体の全体構造を表す縦断面図を図２に、図２中Ｉ−Ｉ
水平横断面図を図１に示す。

【００３１】図１及び図２において、燃料集合体１６
は、９行９列の格子状に配列された燃料棒１５と、中央部領域近傍の７本の燃料棒１５を置き換える形で９行９
列配列の対角線方向に隣接して２本配列された２本のウォータロッド１３と、燃料棒１５及びウォータロッド１
３の上下端部を保持する上部タイプレート１８及び下部タイプレート１９と、燃料棒１５の軸方向の複数箇所に配置され、燃料棒１５及びウォータロッド１３の相互間の間隙を適切な状態に保持する燃料スペーサ２０と、上部タイプレート１８に取り付けられ、スペーサ２０で保持された燃料棒１５の束の外周を取り囲むチャンネルボックス１２等から構成される。

【００３２】上部タイプレート１８には、図示しないチャンネルファスナが取り付けられている。 チャンネルボックス１２近傍には、それに隣接するように十字型の制御棒（図示せず）が挿入されて反応度の調整が行われる。

【００３３】燃料棒１５は、特に詳細を図示しないが、
上部端栓及び下部端栓により両端を密封された被覆管内に、多数の燃料ペレットを充填したものである。 そして燃料棒１５は、ウラン・プルトニウム混合酸化物燃料ペレット（ＭＯＸ燃料ペレット）を充填したＭＯＸ燃料棒１５ａと、ウラン燃料ペレットを充填するとともにガドリニアが添加されたウラン燃料棒１５ｂとから構成される。 すなわち、燃料棒１５ａ，ｂは、これら燃料ペレットを、被覆管内のガスプレナム領域に配置されたスプリングが上下に押圧する構造となっている。

【００３４】ＭＯＸ燃料棒１５ａのＭＯＸ燃料ペレットは、燃料物質であるＰｕＯ ₂で主として構成され、核分裂物質である₂₃₉ Ｐｕ及び₂₄₁ Ｐｕを含んでおり、プルトニウム富化度が増加されたいわゆる高燃焼度化燃料となっている。 たＭＯＸ燃料棒１５ａは、軸方向に一様なプルトニウム富化度分布となっており、そして各ＭＯＸ燃料棒１５ａのプルトニウム富化度の値は、ＭＯＸ燃料棒１５ａ全体で４種類以下となるように構成されている。

【００３５】またウラン燃料棒１５ｂのウラン燃料ペレットは、燃料物質であるＵＯ ₂で主として構成され、核分裂物質である₂₃₅ Ｕを含んでおり、ウラン濃縮度が増加されたいわゆる高燃焼度化燃料となっている。 またウラン燃料棒１５ｂは、燃料有効長をＨとしたとき、有効長最下端からの距離が０〜（１／２４）Ｈ及び（２３／
２４）Ｈ〜Ｈの範囲に、天然ウランからなる燃料ペレットが充填された領域を備えている。 さらに各ウラン燃料棒１５ｂに添加されるガドリニアの濃度は、ウラン燃料棒１５ｂ全体で１種類であるか、若しくは２種類以上でもよい。

【００３６】そして図１に示されるように、９行９列に配置された燃料棒１５のうち、ウォータロッド１３を配置するために置き換えられた７本の燃料棒位置に対し同行隣接列若しくは同列隣接行となるような近接する位置には、ガドリニア入りのウラン燃料棒１５ｂが６本配列され、その他の位置には６８本のＭＯＸ燃料棒１５ａが配列されている。 このとき、６本のガドリニア入りウラン燃料棒１５ｂは、９行９列配列の対角線方向に互いに隣接する３本の燃料棒の組が、２本のウォータロッド１
３，１３を挟んで２組配列されている。

【００３７】ウォータロッド１３は、燃料棒１５と同じ被覆管が用いられているが、燃料棒１５の３．５本分の領域を占める太径のものとなっている。 また特に詳細を図示しないが、ウォータロッド１３には、燃料物質は充填されず、被覆管の上部及び下部の側面に孔を設けることで、内部を沸騰しない冷却水が通過するようになっている。

【００３８】なお、沸騰水型原子炉（以下適宜、ＢＷＲ
という）の炉心は、燃料集合体１６の４体に１本の割合で十字型の制御棒が挿入される構造である。 そしてＢＷ
Ｒ炉心には、挿入される制御棒に面するチャンネルボックス１２の外側に形成される水ギャップの幅が、その反対側にあって制御棒に面しないチャンネルボックス１２
の外側に形成される水ギャップの幅よりも広くなっている炉心（いわゆるＤ格子炉心）と、これら２つの水ギャップの幅が等しい炉心（Ｃ格子炉心・Ｓ格子炉心・Ｎ格子炉心）とがある。 本実施形態の燃料集合体１６は、後者の炉心に装荷される燃料集合体である。

【００３９】次に、本実施形態の作用効果を以下に説明する。 軽水炉においては、水は冷却材としてだけではなく、中性子の減速材としても重要な役割を担っており、
炉心内部の水とプルトニウム及びウランの体積比（＝減速材対燃料比）が、核特性に影響を与える重要な要素となっている。 すなわち、減速材対燃料比は、高速中性子エネルギー及び共鳴中性子エネルギー領域での中性子吸収率に影響を与える。

【００４０】つまり、一般に、低濃縮ウランを用いる熱中性子炉では、熱外中性子の吸収反応の大半は、例えばＰｕ２４０、Ｕ２３８のような親物質への捕獲反応であり、核分裂によるエネルギー発生と中性子の増倍には寄与しない。 しかしながら、減速材対燃料比が増加すると、核分裂中性子（平均約２ＭｅＶのエネルギーを有する）が熱中性子まで減速される割合が増加する。

【００４１】したがって、熱中性子炉では、減速材対燃料比を増加させて中性子スペクトルを軟らかくすることにより、熱中性子を増加させ、Ｐｕ２３９、Ｐｕ２４
１、Ｕ２３５への中性子吸収を増加させることができる。 そしてこれにより核分裂に寄与する中性子が増えるので、中性子束及び無限増倍率を大きくすることができる。 そしてこのようにして中性子束を大きくすることによって、強い熱中性子吸収体である可燃性毒物（例えばガドリニア）の負の反応度価値、すなわち、反応度に対して負の方向に働く効果もまた高めることができることになる。

【００４２】本実施形態の燃料集合体１６においては、
ガドリニア入りウラン燃料棒１５ｂをウォータロッド１
３の位置に対して非常に近接した位置に配列する。 ここで、ウォータロッド１３は全領域が水であるのでこれに近いほど減速材対燃料比が高くなる。 したがって、ガドリニア入りウラン燃料棒１５ｂの配列位置は中性子スペクトルが軟らかく中性子束分布が高くなるので、結果として、ＭＯＸ燃料棒１５ａにおけるプルトニウム富化度の増加やウラン燃料棒１５ｂにおけるウラン濃縮度増加によって生じる、燃料棒１５ｂのガドリニアによる反応度制御能力の低下を打ち消し、このガドリニアの負の反応度価値を高めることができる。 よってその分、ガドリニア入りウラン燃料棒１５ｂを従来より低減した本数（例えば本実施形態では６本）としても、従来と同等の反応度抑制効果を得ることができる。 したがって、その本数低減分をＭＯＸ燃料棒１５ａに置き換えることで、
従来よりも燃料集合体１６に占めるＭＯＸ燃料棒１５ａ
の本数を増やす（例えば本実施形態では６８本）ことができ、結果としてプルトニウムの使用率を向上することができる。

【００４３】本発明の第２の実施形態を図３〜図７により説明する。 本実施形態は、いわゆる短尺燃料棒を含む燃料集合体の実施形態である。 本実施形態によるＭＯＸ
燃料集合体の下部領域（短尺燃料棒の存在する領域）における水平横断面図を図３に示す。 なお図３には、チャンネルボックスに隣接して挿入される制御棒も併せて示してある。 図３において、本実施形態の燃料集合体２１
６は、取出燃焼度４５ＧＷｄ／ｔを目標とした１３ヶ月〜１８ヶ月の運転に対応できるような燃料設計を想定しており、９行９列の格子状に配列された燃料棒２１５
と、中央部領域近傍の７本の燃料棒２１５を置き換える形で９行９列配列の対角線方向に隣接して２本配列された２本のウォータロッド２１３と、燃料棒２１５の束の外周を取り囲むチャンネルボックス２１２とを備えている。 また特に図示しないが、第１の実施形態と同様に、
後述する短尺燃料棒を除く燃料棒２１５の大部分及びウォータロッド２１３の上端部は上部タイプレートで保持され、また燃料棒２１５のすべて及びウォータロッド２
１３の下端部は下部タイプレートで保持され、燃料棒２
１５の軸方向の複数箇所には、燃料棒２１５及びウォータロッド２１３の相互間の間隙を適切な状態に保持する燃料スペーサが設けられている。 そして第１の実施形態同様、上部タイプレートにはチャンネルファスナが取り付けられ、チャンネルボックス２１２近傍には、それに隣接するように十字型の制御棒２１４が挿入されて反応度の調整が行われる。

【００４４】そして、燃料集合体２１６を構成する燃料棒２１５は、図３に示すように、燃料棒番号１〜６で示す６種類がある。 燃料棒番号１〜４で表される燃料棒２
１５は、燃料有効長Ｈの全範囲にそれぞれ富化度Ａ，
Ｂ，Ｃ，Ｄ重量％の核分裂性プルトニウムが充填されている長尺のＭＯＸ燃料棒である。 また燃料棒番号５で表される燃料棒２１５は、燃料有効長Ｈとして、有効長下端からの距離（１／２４）Ｈ〜（１５／２４）Ｈの範囲に富化度Ｂ重量％の核分裂性プルトニウムが充填されている短尺のＭＯＸ燃料棒である。 このとき、ＭＯＸ燃料の富化度の大小関係は、富化度の大きい方から、Ａ，
Ｂ，Ｃ，Ｄ重量％であり、軸方向に一様な富化度となっている。 すなわち、燃料棒番号５の燃料棒２１５は、大きい方から２番目のプルトニウム富化度の値となっている。

【００４５】一方、燃料棒番号６で表される燃料棒２１
５は、ガドリニア入りのウラン燃料棒であり、燃料有効長Ｈとして、有効長下端からの距離０〜（１／２４）Ｈ
及び（２３／２４）Ｈ〜Ｈの範囲に、天然ウランからなる燃料ペレットが充填された領域（天然ウランブランケット領域）が備えられており、また有効長下端からの距離（２／２４）Ｈ〜（２２／２４）Ｈの範囲に、可燃性毒物であるガドリニアを含有している濃縮ウランが充填されている領域（濃縮ウラン領域）が備えられているウラン燃料棒である。 このとき、濃縮ウラン領域の₂₃₅ Ｕ
濃縮度はＥ重量％であり、ガドリニア濃度はＦ重量％である。 また、天然ウランブランケット領域の₂₃₅ Ｕ濃縮度は０．７１重量％である。 なお、ガドリニア濃度及び軸方向分布は、１種類であるが、それぞれの炉心において適宜、１種類または複数種類を選択してもよい。 以上説明したような、燃料棒番号１〜６の燃料棒に関する、
プルトニウム富化度及びウラン濃縮度分布を概念的に表した図を図４に示す。

【００４６】またこれら燃料棒２１５は、特に詳細を図示しないが、第１の実施形態の燃料棒１５と同様、上部端栓及び下部端栓により両端を密封された被覆管内に、
多数の燃料ペレットを充填したものである。 ＭＯＸ燃料棒２１５（燃料棒番号１〜５）は、ウラン・プルトニウム混合酸化物燃料ペレット（ＭＯＸ燃料ペレット）を被覆管内のガスプレナム領域に配置されたスプリングが上下に押圧する構造となっている。 このときＭＯＸ燃料ペレットは、燃料物質であるＰｕＯ ₂で主として構成され、核分裂物質である₂₃₉ Ｐｕ及び₂₄₁ Ｐｕを含んでおり、プルトニウム富化度が増加されたいわゆる高燃焼度化燃料となっている。 またガドリニア入りウラン燃料棒２１５（燃料棒番号６）は、ウラン燃料ペレットを被覆管内のガスプレナム領域に配置されたスプリングが上下に押圧する構造となっている。 このときウラン燃料ペレットは、燃料物質であるＵＯ ₂で主として構成され、核分裂物質である₂₃₅ Ｕを含んでおり、すなわち、燃料有効長をＨとしたとき、有効長最下端からの距離が０〜
（１／２４）Ｈ及び（２３／２４）Ｈ〜Ｈの範囲に、天然ウランからなる燃料ペレットが充填された領域を備えている。 さらに各ウラン燃料棒１５ｂに添加されるガドリニアの濃度は、ウラン燃料棒１５ｂ全体で１種類であるか、若しくは２種類以上でもよい。

【００４７】そして図３に示されるように、９行９列に配置された燃料棒２１５のうち、燃料棒番号５で表される短尺燃料棒２１５は、９行９列配列の最外周配列のすぐ内側の正方形状配列における、四隅位置及び各辺中点位置に計８本配列されている。 また燃料棒番号６で表されるガドリニア入りのウラン燃料棒２１５は、それら短尺燃料棒２１５に対して同行隣接列若しくは同列隣接行となるような近接する位置に８本と、ウォータロッド２
１３を配置するために置き換えられた７本の燃料棒位置に対して同行隣接列若しくは同列隣接行となるような近接する位置に６本、合計で１４本配列され、その他の位置には燃料棒番号１〜４で表されるＭＯＸ燃料棒２１５
が図示のように配列されている。 なおこのとき、ウォータロッド２１３に隣接する６本のガドリニア入りウラン燃料棒２１５（燃料棒番号６）は、９行９列配列の対角線方向に互いに隣接する３本の燃料棒の組が、２本のウォータロッド２１３，２１３を挟んで２組配列されている。

【００４８】次に、本実施形態の作用効果を以下に説明する。 第１の実施形態において前述したように、熱中性子炉では、減速材対燃料比を増加させて中性子スペクトルを軟らかくすることにより、熱中性子を増加させ、Ｐ
ｕ２３９、Ｐｕ２４１、Ｕ２３５への中性子吸収を増加させることができる。 そしてこれにより核分裂に寄与する中性子が増えるので、中性子束及び無限増倍率を大きくすることができる。 そしてこのようにして中性子束を大きくすることによって、強い熱中性子吸収体である可燃性毒物の負の反応度価値、すなわち、反応度に対して負の方向に働く効果もまた高めることができることになる。

【００４９】本実施形態の燃料集合体２１６においては、ガドリニア入りウラン燃料棒２１５（燃料棒番号６）をウォータロッド２１３の位置及び短尺ＭＯＸ燃料棒２１５（燃料棒番号５）の配列位置に対して非常に近接した位置に配列する。

【００５０】ここで、ウォータロッド２１３は全領域が水であるのでこれに近いほど減速材対燃料比が高く、また短尺ＭＯＸ燃料棒２１５については、短尺の燃料棒上方は水領域であるので同様にこれに近いほど減速材対燃料比が高い。 したがって、ガドリニア入りウラン燃料棒２１５（燃料棒番号６）の配列位置は中性子スペクトルが軟らかく、中性子束分布が高くなる。 このことを図５
を用いてさらに具体的に説明する。

【００５１】図５は、燃料集合体２１６の、短尺燃料棒２１５（燃料棒番号５）が存在する水平横断面上（有効長下端からの距離（１／２４）Ｈ〜（１５／２４）Ｈの範囲）における、２本の太径ウォータロッド２１３，２
１３領域内の対角線方向線分ＯＯ'Ｏ”及び線分ＰＰ'
（図１参照）上での熱中性子束分布を、各点Ｏ，Ｏ'，
Ｏ”，Ｐ，Ｐ”において解析計算した結果である。 なお、これら点Ｏ，Ｏ'，Ｏ”，Ｐ，Ｐ”は、ウォータロッド２１３，２１３に置き換えられた７本の燃料棒２１
５の中心位置に相当する位置であり、また、熱中性子束分布は、前述した水平横断面上の熱中性子束を１.０に規格化したときの相対値で表している。 図５に示されるように、線分ＯＯ'Ｏ”の両端Ｏ及びＯ”における熱中性子束の値は０．９７程度であるが、２本の太径ウォータロッド２１３，２１３間に挟まれる中点Ｏ'では約１．３４と極めて高くなる。 そして、線分ＰＰ'の両端Ｐ及びＰ'における熱中性子束の値は、線分ＯＯ'Ｏ”
の中点Ｏ'の高い値の影響を受けて、点Ｏ及び点Ｏ”の熱中性子束よりも高くなっている。したがって、この線分ＰＰ'の両端Ｐ及びＰ'に対して同行隣接列若しくは同列隣接行位置に配列された６本のガドリニア入りウラン燃料棒２１５（燃料棒番号６）は、熱中性子束の高い位置に配置されていることがわかる。

【００５２】また図５に示された結果から、水領域に近いほど熱中性子束の値が高くなることが容易に類推されるので、上方が水領域となる短尺のＭＯＸ燃料棒２１５
（燃料棒番号５）に対して同行隣接列若しくは同列隣接行位置に配列された８本のガドリニア入りウラン燃料棒２１５（燃料棒番号６）も、熱中性子束の高い位置に配置されていることがわかる。

【００５３】以上のように、合計１４本のガドリニア入りウラン燃料棒２１５（燃料棒番号６）の配列位置は中性子スペクトルが軟らかく中性子束分布が高くなるので、結果として、ＭＯＸ燃料棒２１５（燃料棒番号１〜
５）におけるプルトニウム富化度の増加によって生じる、ウラン燃料棒２１５（燃料棒番号６）のガドリニアによる反応度制御能力の低下を打ち消し、このガドリニアの負の反応度価値を高めることができる。 よってその分、ガドリニア入りウラン燃料棒２１５（燃料棒番号６）を従来より低減した本数（例えば本実施形態では１
４本）としても、従来と同等の反応度抑制効果を得ることができる。 このことを図６及び図７を用いてさらに具体的に説明する。

【００５４】図６は、本実施形態のＭＯＸ燃料集合体２
１６の比較例として参照するＭＯＸ燃料集合体２６６の水平横断面図である。 本実施形態と同等の部材には同一の符号を付す。 図６に示すＭＯＸ燃料集合体２６６において、図３に示す本実施形態のＭＯＸ燃料集合体２１６
と異なる点は、２本の太径ウォータロッド２１３，２１
３に近接して６本設けていたガドリニア入りウラン燃料棒２１５（燃料棒番号６）を、ウォータロッド２１３，
２１３から少し離れた位置に８本配置したことである。
これにともなって燃料棒番号１のＭＯＸ燃料棒２１５の本数が２本減っている。 その他の点は、本実施形態によるＭＯＸ燃料集合体２１６とほぼ同様である。

【００５５】上記比較例によるＭＯＸ燃料集合体２６６
及び本実施形態によるＭＯＸ燃料集合体２１６の、下部領域（短尺燃料棒の存在する領域）における無限増倍率を、横軸に燃焼度をとって比較して図７に示す。 図７に示されるように、燃焼の進行にともない、両者の無限増倍率の値はほとんど同一のカーブを描きながら推移することがわかる。 よって、本実施形態によるＭＯＸ燃料集合体２１６によれば、ガドリニア入りウラン燃料棒２１
５（燃料棒番号６）を、従来構造に相当する比較例によるＭＯＸ燃料集合体２６６より２本低減しても、従来と同等の反応度抑制効果を得ることができる。

【００５６】したがって、本実施形態のＭＯＸ燃料集合体２１６によれば、そのガドリニア入りウラン燃料棒２
１５（燃料棒番号６）の本数低減分（２本）をＭＯＸ燃料棒２１５（燃料棒番号１〜５）に置き換えることで、
従来よりも燃料集合体２１６に占めるＭＯＸ燃料棒２１
５（燃料棒番号１〜５）の本数を５８本から６０本に２
本増やすことができるので、結果としてプルトニウムの使用率を向上することができる。

【００５７】なお、上記第２の実施形態においては、ガドリニア入りウラン燃料棒２１５（燃料棒番号６）には、天然ウランからなる燃料ペレットが充填されていたが、これに限られず、例えばウラン濃縮度が増加されたいわゆる高燃焼度化燃料のペレットが充填されていてもよい。 この場合も同様の効果を得る。

【００５８】本発明の第３の実施形態を図８により説明する。 本実施形態によるＭＯＸ燃料集合体３１６の下部領域（短尺燃料棒の存在する領域）における水平横断面図を図８に示す。 なお図８には、第２の実施形態同様、
チャンネルボックスに隣接して挿入される制御棒も併せて示してある。 第２の実施形態と同等の部材には同一の符号を付す。 図８において、本実施形態の燃料集合体３
１６は、ウラン量の増加により運転期間の延長に対応可能な構造となっているものであり、図３に示された第２
の実施形態の燃料集合体２１６と異なる点は、８本の短尺燃料棒２１５（燃料棒番号５）のうちの４本を、ガドリニア入りウラン燃料棒２１５（燃料棒番号６）に置き換えていることである。 その他の構造は、第２の実施形態とほぼ同様である。

【００５９】本実施形態によっても、第２の実施形態と同様の効果を得る。 すなわち、従来、ウラン量を増加させ原子炉運転期間の延長に対応可能とするために、ガドリニア入りウラン燃料棒２１５（燃料棒番号６）が比較的多数（例えば２０本）設けられていたのを、その中の一部（本実施形態では６本）を中性子スペクトルが軟らかく中性子束分布が高いウォータロッド２１３，２１３
近接位置に配置することにより、その近接配置されたウラン燃料棒２１５（燃料棒番号６）についてガドリニアの負の反応度価値を高めることができる。 よってその分、ガドリニア入りウラン燃料棒２１５（燃料棒番号６）全体の本数を従来よりも低減（例えば本実施形態では１８本で２本低減可能）しても、従来と同等の反応度抑制効果を得ることができる。 したがって、その本数低減分をＭＯＸ燃料棒２１５（燃料棒番号１〜５）に置き換えることで、従来よりも燃料集合体３１６に占めるＭ
ＯＸ燃料棒２１５（燃料棒番号１〜５）の本数を増やす（例えば本実施形態では５６本）ことができるので、結果として従来構造よりプルトニウムの使用率を向上することができる。

【００６０】なお、上記構成の変形例として、８本のガドリニア入りウラン燃料棒２１５（燃料棒番号６）を、
４本残る短尺燃料棒２１５（燃料棒番号５）を挟むように両隣に配置する構成もある。 このような構成の燃料集合体３５６を図９に示す。

【００６１】本発明による第４の実施形態を図１０により説明する。 本実施形態によるＭＯＸ燃料集合体４１６
の下部領域（短尺燃料棒の存在する領域）における水平横断面図を図１０に示す。 なお図１０には、第２及び第３の実施形態同様、チャンネルボックスに隣接して挿入される制御棒も併せて示してある。 第２及び第３の実施形態と同等の部材には同一の符号を付す。 図１０において、本実施形態の燃料集合体４１６は、減速材対燃料比を増加させてボイド反応度係数絶対値を低減し、過渡変化を緩和可能な構造となっているものであり、図３に示された第２の実施形態の燃料集合体２１６と異なる点は、８本の短尺燃料棒２１５（燃料棒番号５）のうちの４本を、同径の長尺のウォータロッド４１３に置き換えていることである。 その他の構造は、第２の実施形態とほぼ同様である。

【００６２】本実施形態によっても、第２の実施形態と同様の効果を得る。 すなわち、従来、減速材対燃料比を増加させてボイド反応度係数絶対値を低減し、過渡変化を緩和可能とするために、４本のウォータロッド４１３
を設けると共にガドリニア入りウラン燃料棒２１５（燃料棒番号６）が比較的多数（例えば１６本）設けられていた構造において、ガドリニア入りウラン燃料棒２１５
（燃料棒番号６）のすべてを、中性子スペクトルが軟らかく中性子束分布が高いウォータロッド２１３又はウォータロッド４１３の近接位置に配置することにより、ウラン燃料棒２１５（燃料棒番号６）中のガドリニアの負の反応度価値を高めることができる。 よってその分、ガドリニア入りウラン燃料棒２１５（燃料棒番号６）全体の本数を従来よりも低減（例えば本実施形態では１４本で２本低減可能）しても、従来と同等の反応度抑制効果を得ることができる。

【００６３】したがって、その本数低減分をＭＯＸ燃料棒２１５（燃料棒番号１〜５）に置き換えることで、従来よりも燃料集合体４１６に占めるＭＯＸ燃料棒２１５
（燃料棒番号１〜５）の本数を増やす（例えば本実施形態では５６本）ことができるので、結果として従来構造よりプルトニウムの使用率を向上することができる。

【００６４】

【発明の効果】本発明によれば、可燃性毒物を含有する第３の燃料棒を、短尺である第２の燃料棒の配列位置又は複数本の燃料棒を置き換えたウォータロッド位置に対して同行隣接列又は同列隣接行、すなわち非常に近接した位置に配置するので、中性子スペクトルが軟らかく、
中性子束分布が高くなる。 よって結果として、第３の燃料棒に含有される可燃性毒物の負の反応度価値が高められ、その分、可燃性毒物入りの第３の燃料棒の本数を従来より低減しても、従来と同等の反応度抑制効果を得ることができる。 したがって、その本数低減分をＭＯＸ燃料棒に置き換えることで、燃料集合体に占めるＭＯＸ燃料棒の本数を従来よりも増やし、プルトニウムの使用率を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態によるＭＯＸ燃料集合体の水平横断面図である。

【図２】図１に示されたＭＯＸ燃料集合体の全体構造を表す縦断面図である。

【図３】本発明の第２の実施形態によるＭＯＸ燃料集合体の下部領域（短尺燃料棒の存在する領域）における水平横断面図である。

【図４】図３に示されたＭＯＸ燃料集合体に備えられた燃料棒に関する、プルトニウム富化度及びウラン濃縮度分布を概念的に表した図である。

【図５】図３に示されたＭＯＸ燃料集合体の、短尺燃料棒が存在する水平横断面上における熱中性子束分布を解析計算した結果を表す図である。

【図６】図３に示されたＭＯＸ燃料集合体の比較例として参照するＭＯＸ燃料集合体の水平横断面図である。

【図７】図３に示されたＭＯＸ燃料集合体及び図６に示されたＭＯＸ燃料集合体の、下部領域（短尺燃料棒の存在する領域）における無限増倍率を比較して示した図である。

【図８】本発明の第３の実施形態によるＭＯＸ燃料集合体の下部領域（短尺燃料棒の存在する領域）における水平横断面図である。

【図９】図８に示された構成の変形例を表す水平横断面図である。

【図１０】本発明の第４の実施形態によるＭＯＸ燃料集合体の下部領域（短尺燃料棒の存在する領域）における水平横断面図である。

【符号の説明】

１２ 燃料チャンネルボックス １３ ウォータロッド １５ 燃料棒 １５ａ ＭＯＸ燃料棒 １５ｂ ガドリニア入りウラン燃料棒 １６ 燃料集合体 １８ 上部タイプレート １９ 下部タイプレート ２０ 燃料スペーサ ２１２ 燃料チャンネルボックス ２１３ ウォータロッド ２１４ 制御棒 ２１５ 燃料棒 ２１６ 燃料集合体 ３１６ 燃料集合体 ４１３ ウォータロッド ４１６ 燃料集合体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤田 聡志 茨城県日立市幸町三丁目２番１号 日立エ ンジニアリング株式会社内 (72)発明者 持田 貴顕 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内